[发明专利]具有改进的长效性能的聚合物电解质膜燃料电池,操作聚合物电解质膜燃料电池的方法及聚合物电解质膜燃料电池蓄电池

说明书

本发明涉及一种具有边缘区域新型设计的聚合物电解质膜(聚合物电解质膜)燃料电池，涉及一种操作燃料电池的方法并涉及一种燃料电池蓄电池。

从DE-C4442285中已知一种聚合物电解质膜燃料电池的边缘区域的设计(见其中图2)，其中边缘密封装置是由一种框架元件制成的，该元件分别将相邻收集器板压到膜的顶部及底部，压的方式是将这三个部件以机械固定、气密及电绝缘方式相互连结。膜的两面涂覆有两个电极，这二个电极只延展到这个边缘区域。由此，在膜的电极涂层及边缘密封装置之间的边界上产生一微小的间隙，在这个间隙上，膜直接暴露于生产气体，即没有保护电极层。这就引起膜干燥并在此变脆。而且例如在膜-电极装置的热加工过程中可能引起的先前损坏也可能在膜直接暴露于生产气体的这个地方导致气体穿透。由于发生膜直接暴露于生产气体的这个间隙，膜的使用寿命或长效性能相应受到限制。

本发明的一个目的是提供具有改进的长效性能的聚合物电解质膜燃料电池结构。

这个目标是通过如权利要求1所要求的一种聚合物电解质膜燃料电池，通过如权利要求3所要求的这种电池的制造方法及通过提供如权利要求4所要求的燃料电池蓄电池来取得的。本发明的进一步的结构形式通过描述、图及图的解释来给出。

本发明涉及一种聚合物电解质膜燃料电池，它是由至少二个端板构成的，二个端板夹紧一个膜，除最外边缘外，一个电极层覆盖在膜的二面，至少一个电极层对膜的覆盖伸展进燃料电池的结构边缘区域内。至少一个电极层的扩展不只意味着至少在一面上膜不再直接暴露于生产气体，而且意味着在边缘区域中涂覆的电极与未涂覆的膜之间的边界上还导致产生形成于此的小积水，该积水连续湿润该膜。

本发明也涉及操作一种聚合物电解质膜燃料电池的方法，其中生成物水在燃料电池的结构边缘区域的形成用来湿润该膜。

最后，本发明涉及一种聚合物电解质膜燃料电池蓄电池，其构成有如权利要求1至3之一所要求的至少二个聚合物电解质膜燃料电池。

在这个上下文中，术语端板的意思应理解为包围与膜相对的一面上的燃料电池的气体空间的任何型类的隔离物及冷却与接触板。

燃料电池的“结构边缘区域”，在意思上应理解为在活性电池区域以外的该电池的区域，因而没有规律的生产气体与反应生成物的输送与去除。

电极层是一可透气层并最好由一活性催化剂层和一支撑物如碳纸构成。

该膜最好是一种质子-传导电解质薄膜，在操作状态，它具有大约20％-40％重量比的水含量。

在边缘区域，密封装置最好安置在端板与膜之间。

根据本发明的一种结构，框架元件是由金属构成的并在边缘区域中附加一电绝缘层，使各个单个电池堆积在一起时在没有任何短路的危险下串联。

本发明的一种结构参照以下二个图来解释，其中：

图1示出一种燃料电池的横剖面结构，及

图2示出边缘区域的详细放大图。    

图1示出一种燃料电池1。延伸在该电池整个长度上的膜2被放在中心。电极3与4被涂覆在膜的二面，只到边缘。密封装置5与6靠近电极止住的地方膜的二面，在边缘可以看见它们。给在与膜2相对一面上的燃料电池1的二个反应空间11与12定界的端板7与8，在顶部及底部可被看到。

在图1中选取的燃料电池1的剖面图是从用于生产气体的输送或去除管道9/10截取的。因而在每种场合在端板7与8内可看到二个去除或输送口，通过这些口生产气体例如以箭头所示方向流动。在输送与去除管道之间的电池区域是活性电池区域。燃料电池的边缘区域在管道的另一端。

在操作中，生产气体例如燃料沿活性电池区域通过分布通道13流进二个反应空间11/12之一，例如阳极室11，在活性电池区域发生氧化剂与燃料的反应形成水和电流。生成物水规律地沿活性电池区域被去除。到此为止，在燃料电池中只有活性电池区域一点，在这一点形成生产物水。根据本发明，在电池的构造边缘区现在也发生轻度反应，根据本发明构造边缘区中电极层沿膜延伸。由于在构造边缘区内的端板不具有任何分布通道13，生产气体实际上只通过活性催化剂层即例如通过碳纸的支持由扩散到达该区。

如已说明的那样，生产气体在构造边缘区的流动是很小的或者甚至是不存在的，因而在那里形成的生产物水是不能被去除的。结果，生成物水14聚集在形成并靠近膜上电极层末端的间隙内。结果，在密封装置5和6与膜2之间形成小积水(槽)14。这个积水具有下列优点：

1)在活性电极表面之外的膜表面总是被水环绕。其机械阻力高度依赖水含量的膜因而具有长期稳定性而被使用。